Hiện nay, nghiên cứu về phương pháp tổng hợp hạt nhân như một nguồn cung cấp năng lượng thực tiễn đang được thực hiện ở nhiều quốc gia phát triển trên thế giới với hi vọng khống chế được tốc độ cũng như lượng nhiệt sản sinh từ phản ứng. Với các vật liệu được biết đến thì chưa có vật liệu nào chịu được nhiệt độ quá cao của phản ứng này, do đó, gây lãng phí năng lượng. Một số nghiên cứu đã bắt đầu hướng đến việc sử dụng chùm laser hội tụ nhắm vào nhiên liệu hạt nhân, ép gây ra phản ứng, thay vì sử dụng nhiệt tỏa ra từ khối uranium phân hạch như phương pháp truyền thống. Các nhà khoa học cũng có thể dùng từ trường ngoài khống chế các hạt nhân, đảm bảo không va chạm vào thành bình chứa, giữ phản ứng được thực hiện trong điều kiện ít tốn kém và hiệu suất cao.
Phản ứng tổng hợp hạt nhân hay phản ứng nhiệt hạch, phản ứng hợp hạch là quá trình giữa hợp lại 2 hạt nhân để tạo nên một hạt nhân mới nặng hơn, cùng với sự giải phóng hoặc hấp thụ năng lượng tùy vào khối lượng hạt nhân tham gia. Sắt và nickel có năng lượng liên kết nhân lớn hơn tất cả các nhân khác nên bền vững hơn và sự kết hợp hạt nhân của các nguyên tử nhẹ hơn sắt và nickel thì giải phóng năng lượng trong khi với các nhân nặng hơn thì hấp thụ năng lượng. Phản ứng tổng hợp hạt nhân của các nguyên tử nhẹ tạo ra sự phát sáng của các ngôi sao hay là nguồn cơn của nổ hydro. Phản ứng tổng hợp hạt nhân của các hạt nhân nặng xảy ra trong điều kiện như ở các vụ nổ của các hành tinh (siêu tân tinh). Phản ứng tổng hợp hạt nhân trên các hành tinh (sao) và các chòm sao là quá trình chủ yếu tạo ra các nguyên tố hóa học tự nhiên.
Nhiên liệu thường dùng trong phản ứng tổng hợp hạt nhân là các đồng vị deuterium và tritium của hydrogen. Các đồng vị này có thể trích lấy dễ dàng từ nước biển hoặc tổng hợp từ nguyên tử hydrogen. Để làm cho các hạt nhân hợp lại với nhau, cần một nguồn năng lượng rất lớn, ngay cả với các nguyên tử nhẹ nhất như hydro. Điều đó được giải thích là do các quá trình phản ứng khó thực hiện: Nguyên tử hóa các phân tử, ion hóa hoàn toàn tất cả các nguyên tử, đồng thời tách electron để biến nhiên liệu phản ứng hoàn toàn trở thành hạt nhân không có electron ở thể plasma; sau đó cần cung cấp động năng cực kỳ lớn cho các hạt nhân vượt qua tương tác đẩy Coulomb giữa chúng. Nhiệt độ cần thiết có thể lên đến hàng triệu độ C. Nhưng sự kết hợp của các nguyên tử nhẹ, để tạo ra các nhân nặng hơn và giải phóng 1 neutron tự do sẽ phóng thích nhiều năng lượng hơn năng lượng nạp vào lúc đầu khi hợp nhất hạt nhân. Tuy nhiên, từ hạt nhân sắt trở đi, việc tổng hợp hạt nhân là quá trình thu nhiệt nhiều hơn tỏa nhiệt. Chính vì lý do này mà phản ứng hợp hạch còn được gọi là phản ứng nhiệt hạch.
Phản ứng nhiệt hạch diễn ra trong một trạng thái vật chất gọi là plasma – một chất khí nóng, tích điện được tạo thành từ các ion dương và các electron chuyển động tự do với các đặc tính riêng biệt khác với chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí. Mặt trời, cùng với tất cả các ngôi sao khác, được cung cấp năng lượng bởi phản ứng này. Để hợp nhất trong mặt trời của chúng ta, các hạt nhân cần phải va chạm với nhau ở nhiệt độ cực cao, khoảng 10 triệu độ C. Nhiệt độ cao cung cấp cho chúng đủ năng lượng để vượt qua lực đẩy điện lẫn nhau của chúng. Một khi các hạt nhân ở trong một phạm vi rất gần nhau, lực hạt nhân hấp dẫn giữa chúng sẽ lớn hơn lực đẩy điện và cho phép chúng hợp nhất. Để điều này xảy ra, các hạt nhân phải được giới hạn trong một không gian nhỏ để tăng khả năng va chạm. Trong mặt trời, áp suất cực lớn tạo ra bởi lực hấp dẫn khổng lồ của nó tạo ra điều kiện cho phản ứng tổng hợp.
Năng lượng phóng thích từ phản ứng hạt nhân thường lớn hơn nhiều so với phản ứng hóa học, bởi vì năng lượng kết dính giữ cho các hạt nhân với nhau lớn hơn nhiều so với năng lượng để giữ các electron với hạt nhân. Ví dụ, năng lượng để thêm 1 electron vào nhân thì bằng 13.6 eV, nhỏ hơn một phần triệu của 17 MeV giải phóng từ phản ứng D-T (deuterium-tritium, các đồng vị của hydro).
Tại sao các nhà khoa học lại nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch?
Kể từ khi lý thuyết về phản ứng tổng hợp hạt nhân được hiểu vào những năm 1930, các nhà khoa học đã bắt tay vào việc tái tạo và khai thác nó. Đó là bởi vì nếu phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể được tái tạo trên trái đất ở quy mô công nghiệp, nó có thể cung cấp vô hạn hầu như năng lượng sạch, an toàn và giá cả phải chăng để đáp ứng nhu cầu của thế giới. Nhiệt hạch có thể tạo ra năng lượng gấp 4 lần cho mỗi kg nhiên liệu so với quá trình phân hạch (được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân) và gần 4 triệu lần năng lượng so với đốt dầu hoặc than. Hầu hết các khái niệm về lò phản ứng nhiệt hạch đang được phát triển sẽ sử dụng hỗn hợp của deuterium và triti – các nguyên tử hydro có chứa thêm neutron. Về lý thuyết, chỉ với vài gam chất phản ứng này, có thể tạo ra một terajoule năng lượng, xấp xỉ năng lượng mà một người ở một nước phát triển cần trong hơn 60 năm.
Nhiên liệu nhiệt hạch rất dồi dào và dễ tiếp cận: deuterium có thể được chiết xuất từ nước biển và triti có thể được tạo ra từ phản ứng của các neutron từ phản ứng tổng hợp với liti tự nhiên. Nguồn cung cấp nhiên liệu này sẽ tồn tại hàng triệu năm. Các lò phản ứng nhiệt hạch trong tương lai về bản chất cũng an toàn và không tạo ra chất thải hạt nhân hoạt độ cao hoặc tồn tại lâu dài. Hơn nữa, vì quá trình nhiệt hạch khó bắt đầu và duy trì, nên không có nguy cơ xảy ra phản ứng chạy bất chợt và gây nóng chảy; phản ứng tổng hợp chỉ có thể xảy ra trong các điều kiện vận hành nghiêm ngặt, ngoài điều kiện đó (ví dụ như trong trường hợp xảy ra sự cố hoặc lỗi hệ thống), plasma sẽ tự kết thúc, mất năng lượng rất nhanh và bị dập tắt trước khi có bất kỳ thiệt hại nào. Điều quan trọng là, phản ứng tổng hợp hạt nhân – cũng giống như phản ứng phân hạch – không thải carbon dioxide hoặc các khí nhà kính khác vào khí quyển, vì vậy nó có thể là nguồn cung cấp điện carbon thấp lâu dài từ nửa cuối thế kỷ này trở đi.
Trên Trái đất, chúng ta cần nhiệt độ trên 100 triệu độ C để tạo ra deuterium và tritium hợp nhất, đồng thời điều chỉnh áp suất và lực từ trường, plasma giam giữ ổn định và duy trì phản ứng nhiệt hạch đủ lâu để tạo ra nhiều năng lượng hơn mức cần thiết để bắt đầu phản ứng. Trong khi các điều kiện rất gần với yêu cầu trong lò phản ứng nhiệt hạch hiện đã đạt được, các đặc tính giam giữ được cải thiện và tính ổn định của plasma vẫn cần thiết để duy trì phản ứng và tạo ra năng lượng một cách bền vững. Các nhà khoa học và kỹ sư từ khắp nơi trên thế giới tiếp tục phát triển và thử nghiệm các vật liệu mới và thiết kế các công nghệ mới để đạt được năng lượng nhiệt hạch ròng.
Hiện trạng phát triển công nghệ nhiệt hạch
Nghiên cứu vật lý plasma và phản ứng tổng hợp hạt nhân được thực hiện ở hơn 50 quốc gia và phản ứng nhiệt hạch đã được tạo ra thành công trong nhiều thí nghiệm, dù cho đến nay vẫn chưa tạo ra nhiều năng lượng hơn mức cần thiết để bắt đầu quá trình phản ứng. Các chuyên gia đã đưa ra các thiết kế và máy móc khác nhau có quá trình phản ứng tổng hợp diễn ra như máy đo mẫu và tokama, nhưng cũng có các phương pháp tiếp cận dựa trên laser, thiết bị tuyến tính và nhiên liệu tiên tiến. Mất bao lâu để năng lượng nhiệt hạch được triển khai thành công sẽ phụ thuộc vào việc huy động các nguồn lực thông qua quan hệ đối tác và hợp tác toàn cầu, cũng như tốc độ phát triển, xác nhận và đủ điều kiện của ngành công nghiệp nhiệt hạch mới nổi. Một vấn đề quan trọng khác là phát triển song song cơ sở hạ tầng hạt nhân cần thiết, chẳng hạn như các yêu cầu, tiêu chuẩn và thực hành tốt, liên quan đến việc hiện thực hóa nguồn năng lượng trong tương lai này.
Sau 10 năm thiết kế thành phần, chuẩn bị địa điểm và sản xuất, việc lắp ráp ITER tại Pháp, cơ sở nhiệt hạch quốc tế lớn nhất thế giới, bắt đầu vào năm 2020. ITER là một dự án quốc tế nhằm chứng minh tính khả thi về mặt khoa học và công nghệ của phản ứng tổng hợp hạt nhân, chứng minh công nghệ và khái niệm cho các nhà máy điện nhiệt hạch sản xuất điện trong tương lai, được gọi là DEMO. ITER bắt đầu tiến hành các thí nghiệm đầu tiên vào nửa sau của thập kỷ này và các thí nghiệm toàn năng được lên kế hoạch bắt đầu vào năm 2036.
Các mốc thời gian của DEMO khác nhau ở các quốc gia khác nhau, nhưng sự nhất trí của các chuyên gia dẫn tới sẽ có một nhà máy điện nhiệt hạch sản xuất điện được xây dựng và vận hành vào năm 2050. Song song đó, nhiều doanh nghiệp thương mại do tư nhân tài trợ cũng đang có những bước tiến trong việc phát triển các khái niệm về nhà máy điện nhiệt hạch, bản vẽ về bí quyết được tạo ra trong nhiều năm nghiên cứu và phát triển được tài trợ công.
Từ khóa: Phản ứng nhiệt hạch; tổng hợp hạt nhân; năng lượng hạt nhân; ITER; DEMO
– CMD&DND –
